DE3524290C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit Solarzellen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine solche Schaltungsanordnung ist für eine Solaruhr bekannt aus dem Beitrag VA 1 "NO BATTERY" ANALOG QUARTZ WATCH, Seiten 75 bis 79 im Berichts­ band Nr. 2 des XI. Internationalen Kongresses für Chronometrie (Oktober 1984 Besancon), dort Fig. 13. Falls die Spannung am Betriebsspeicher unter der Betriebsspannung der integrierten Schaltungsanordnung liegt, unterbindet eine Schwellwertschaltung einen (Kurzschluß-)Stromfluß über den stillstehenden Uhrenmotor und eine Fehlfunktion einer Spannungsbe­ grenzerschaltung zum Schutz des Speichers gegen Überspannungen. Statt­ dessen tritt dann eine Anlaufhilfe in Funktion, für die, zusätzlich zu Lade- und Entlade-Kreisen für einen als Betriebs-Speicher dienenden Konden­ sator sehr großer Kapazität, ein kleiner Hilfskondensator vorgesehen ist, der der Uhrenschaltung direkt und der Solarzelle über eine Rücklauf-Sperr­ diode parallel geschaltet ist. Dadurch soll erreicht werden, daß aufgrund der geringen Zeitkonstante der kleinen Kapazität schon nach kurzzeitiger Bestrahlung der Solarzelle die Uhr anläuft.

Nachteilig bei Realisierung einer solchen Anlaufhilfe ist jedoch der Preis und der Raumbedarf für zwei Kondensatoren, und in betriebstechnischer Hinsicht darüber hinaus insbesondere die geringe Kapazität des Anlauf- Speichers. Aus der geringen Kapazität resultiert nämlich, daß zwar schon nach kurzer Bestrahlungszeit der Betrieb der Uhr einsetzt - daß dieser andererseits aber alsbald schon wieder aussetzt, wenn die Bestrahlung nur kurz andauert. Wenn ein Konsument sich also beispielsweise durch Einschalten einer Raumbeleuchtung darüber vergewissert hat, daß die Solaruhr angelaufen ist, kann es keineswegs gewiß sein, daß sie auch beispielsweise den Rest einer Nacht durchläuft, wenn er danach die Raumbeleuchtung wieder abschaltet.

Der Einsatz nachladbarer elektromechanischer Ladungsspeicher (Akkumulatoren oder Sekundärelemente) kommt bei Solaruhren der hier in Betracht gezogenen Art nicht in Frage, insoweit die beschränkte Lebensdauer der­ artiger Elemente, trotz der Pufferung aus der Solarzelle, doch wieder von Zeit zu Zeit einen Batterieaustausch durch den Konsumenten er­ fordert; was bei einer sogenannten batterielosen Solaruhr der vor­ liegenden Gattung jedoch gerade vermieden werden soll.

Es hat sich gezeigt, daß für die Sicherung des fortlaufenden Betriebes der mit z. B. einem kapazitiven Ladungsspeicher ausgestatteten Solaruhr auch nicht ohne weiteres der Weg einschlagbar ist, die Speicherkapa­ zität einfach noch einmal wesentlich zu erhöhen. Denn damit vergrößert sich die Ladezeitkonstante; der Anstieg der Spannung auf einen für den Betrieb oder gar Anlauf von elektrischen und elektromechanischen Schaltungskomponenten erforderlichen Wert verlangsamt sich also unzumutbar. Dem Konsumenten ist nämlich nicht zuzumuten, nach der Entnahme des "batterielosen" Kleingerätes aus seiner Verpackung eine größere Zeitspanne zuzuwarten, bis ihm der Betriebsübergang in eine ordnungsgemäße Funktion erkennbar wird.

Es kommt hinzu, daß paradoxerweise gerade auch die Vergrößerung der Kapazität des Ladungsspeichers den ordnungsgemäßen Anlauf eines Kleingerätes ganz unterbinden kann; nämlich dann, wenn es Schaltungs­ komponenten aufweist, die sich durch hohen Leistungsbedarf und/oder deutlich unterschiedliche Mindest-Betriebsspannungen auszeichnen. Aufgrund des durch die große Kapazität erzwungenen Spannungs­ anstiegs setzen sich dann verschiedene Teile z. B. einer Uhrenschaltung zu sehr unterschiedlichen Zeitpunkten nach Beginn der Solarzellen-Be­ strahlung in Funktion und vermindern womöglich sogar durch ihren großen Leistungsbedarf die Speicherladung wieder; so daß sich das ordnungsgemäße Zusammenspiel der Schaltungskomponenten für den statio­ nären Betrieb gar nicht einstellen kann bzw. sogar in ständiges Kippschwingungsverhalten übergeht, ohne jemals einen stationären Betriebszustand zu erreichen.

Solche ungünstigen Lastzustände unmittelbar bei Inbetriebnahme eines Gerätes sind insbesondere dann gegeben, wenn es sich beispielsweise um eine Funkuhr handelt; wenn also zu Betriebsbeginn ein erhöhter Leistungsbedarf für den Betrieb des Funkempfängers (und seiner Dekodier­ schaltung für die empfangene Zeitinformation), sowie für den Eilantrieb des Räderwerkes im Zuge des Einfahrens der Uhrenzeiger in ihre Referenz­ stellung, anfällt. Ähnliche ungünstige Betriebsverhältnisse insbe­ sondere sogleich nach Inbetriebnahme eines Gerätes sind gegeben, wenn zunächst noch in Ruhe befindliche dekorative Elemente wie Zier­ pendel, Zappelfiguren oder dergleichen in Bewegung versetzt werden müssen, zumal wenn ein elektromotorischer Wandler vorgesehen ist, dessen hoher Anlaufstrom erst nach Einsetzen beispielsweise einer Rotorbewegung durch die Induktionswirkungen auf stationären Betriebs­ bedarf reduziert wird. In solchen Fällen kann also der anfangs erhöhte Leistungsbedarf bewirken, daß der Ladezustand des Speichers gar nicht denjenigen Spannungswert stationär erreicht, der für die dauernde ordnungsgemäße Betriebsweise der Gesamtheit aller Schaltungskomponenten erforderlich ist, so daß ein freier Ablauf aus der ungeladenen Speicher­ situation heraus nicht gewährleistet ist.

Eine weitere gattungsgemäße Schaltungsanordnung ist aus der DE-OS 26 46 877 bekannt. Bei einer Vorrichtung zur Umwandlung von Sonnen­ energie mittels Fotozellen in elektrische Energie für ein Verbrauchs­ gerät sind dort unterschiedlich ausgelegte Schwellwertschaltungen vorgesehen, um die aus der Bestrahlung verfügbare Speiseleistung optimal für den Anlauf des Verbrauchsgerätes und dür die Nachladung von Akkumulatoren einzusetzen. Insbesondere wird dabei die strom­ begrenzende Charakteristik der Fotozellen bei Inbetriebnahme eines elektromotorischen Verbrauchsgerätes ausgenützt, um - unter Abschaltung eines Leistungsbezugs aus den Akkumulatoren - die Einschalt-Strom­ spitze zu begrenzen, wenn das Gerät zunächst unmittelbar aus den Fotozellen betrieben wird. Erst bei Erreichen eines stationären Betriebszustandes des bisher aus den Fotozellen direkt gespeisten Verbrauchsgerätes werden die Akkumulatoren dem Gerät parallel geschaltet, und die direkte Speisung aus den Fotozellen kann aufgehoben werden. Die für diese Umschaltvorgänge einsetzbaren Schwellwertschaltungen können dort Operationsvertärker oder einfach Relais-Spulen sein.

In Erkenntnis der insbesondere bei einer Solaruhr oben erläuterter Art vorliegenden Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zu­ grunde, eine Schaltungsanordnung gattungsgemäßer Art zu schaffen, die, ggf. auch bei Geräten mit Schaltungskomponenten unterschiedlicher Anlaufspannungen und insbesondere mit großer elektrischer Belastung gerade zu Betriebsbeginn, einen sicheren Anlauf in die stationäre Betriebsweise sicherstellt, ohne zusätzlicher Anlaufhilfen zu bedürfen.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Schaltungsanordnung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sie gemäß dem Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 ausgelegt ist.

Nach dieser Lösung bleibt, über die Schwellwertschaltung, der Betriebs­ beginn und damit eine Belastung des einzig vorhandenen Speichers bei Beginn der Bestrahlung vorübergehend noch unterbunden, so daß praktisch die gesamte von der Solarzelle gelieferte elektrische Energie der Speicher-Aufladung zur Verfügung steht, mit der Folge eines raschen Anstiegs der Spannung über den Betriebs-Mindestwert. Erst dann gibt die Schwellwertschaltung die Speicher-Belastung durch Verbraucher frei, die nun, unabhängig von ihren schaltungstechnisch bedingten unterschiedlichen Minimal-Betriebsspannungen, gleichzeitig in Funktion gehen; womit das ordnungsgemäße stationäre Zusammenspiel aller Schaltungskomponenten selbst dann sichergestellt ist, wenn zu Betriebsbeginn erhöhte Belastungen auftreten und dadurch die Speicherspannung vorübergehend nicht weiter ansteigt oder sogar wieder etwas abfällt.

Vorzugsweise schaltet die Schwellwertschaltung noch nicht wieder ab, wenn die Einschaltspannung einmal unterschritten werden sollte. Denn nach dem Betriebsbeginn ist der Leistungsbedarf generell geringer; beispielsweise augrund bereits in die Sollstellung eingeschwenkter Zeiger einer Funkuhr oder aufgrund der kinetischen Energie von schon in Bewegung versetzten Konstruktionsteilen. Die Abschaltspannung der Schwellwertschaltung kann also wesentlich niedriger gewählt werden, als die Einschaltspannung, wodurch eine Betriebsunterbrechung aufgrund vorübergehender Spannungseinbrüche am Speicher praktisch unterbunden ist.

Zweckmäßigerweise ist die Schwellwertschaltung nicht unmittelbar sondern nur funktionell in Serie mit Leistungsverbrauchern geschaltet; also als Steuerstufe ausgelegt, die Einschalt- bzw. Ausschalt-Steuer­ signale an die maßgeblichen Schaltungsteile abgibt. Dadurch sind Leistungsverluste vermieden, die sonst - bei Versorgung größerer Verbraucher über Hilfsschaltungen hinweg - auftreten könnten. Es muß dann nur sichergestellt sein, daß die Steuerschaltungen für solche Verbraucher bei Betriebsbeginn zunächst sperren und den Ver­ braucher erst dann an die Versorgung anschließen, wenn die Schwellwert­ schaltung das Überschreiten der Einschaltspannung festgestellt hat.

Eine obere Spannungsbegrenzung hinter der Solarzelle wird möglichst vermieden, um die quadratisch in die Leistungsbilanz eingehenden Spannungsspitzen bei der Aufladung des Speichers mit verwerten zu können. Wo sich daraus Nachteile für den Betrieb von Verbrauchern (z. B. aufgrund bei größerer Spannung zurückgehendem Wirkungsgrad) ergeben würden, lassen sich diese Nachteile einfach durch einen Strombegrenzer vor dem Verbraucher vermeiden.

Weitere Vorteile der Erfindung sind in nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche stark vereinfacht skizzierten bevorzugten Realisierungsbeispiels zur erfindungsgemäßen Lösung näher erläutert.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt als abstrahiertes Blockschalt­ bild den Betrieb eines elektromechanischen Gerätes aus einer Solar­ zelle als Leistungsquelle für den Anwendungsfall bei einem Uhrwerk.

Die als das Kleingerät dargestellte Solaruhr 1 weist ein - vorzugs­ weise elektromechanisches - Uhrwerk 2 auf, das über eine Anlauf­ schaltung 3 aus wenigstens einer Solarzelle 4 gespeist wird. Die Parallelschaltung eines Ladungsspeichers 5 dient zur Überbrückungs-Bereit­ stellung von elektrischer Energie für Zeitspannen, in denen die Anregung der Solarzelle 4 mit Strahlungsenergie 6 über kurze bis mittlere Zeitspannen umweltbedingt unterbrochen ist.

Das Uhrwerk 2 weist einen elektromechanischen Wandler, z. B. einen Schritt-Motor 7, auf, der über wenigstens eine getriebliche Kopplung 8 mit Bewegungselementen 9 wie Zeigern, Zierpendeln, Figuren, Richt­ antennen, mechanischen Schlagwerkseinrichtungen oder dergleichen verbunden ist, die ihren mechanischen Antrieb aus dem Betrieb des Motors 7 heraus erfahren. Der Motor 7 bezieht seine Betriebsenergie über eine Steuerschaltung 10 (beispielsweise eine Polwender-Brücken­ schaltung im Falle eines einphasig betriebenen Schrittmotors) möglichst direkt aus der Leistungsquelle in Form der Solarzelle 4 (bzw. der Leistungshilfsquelle in Form des Ladungsspeichers 5), um Verluste in in diesen Leistungspfad etwa eingeschalteten elektrischen Bau­ elementen nach Möglichkeit zu vermeiden.

Die Ansteuerung der Steuerschaltung 10 ihrerseits erfolgt aus einer Betriebsschaltung 11, bei der es sich insbesondere um eine quarz­ stabilisierte, also zeithaltende elektronische Uhrenschaltung handeln kann. Statt dessen oder alternativ kann die Ansteuerung aber auch aus einer Zusatzschaltung 12 erfolgen, wie in der Zeichnung gestrichelt angedeutet; bei dieser handelt es sich insbesondere beispielsweise um einen Funkuhren-Empfänger und -Dekodierer, wie er in der älteren Anmeldung P 34 39 638.1 vom 30. Oktober 1984 näher beschrieben ist.

Wenn die Solaruhr 1 erstmals in Betrieb genommen werden soll, ist der Speicher 5 noch nicht geladen. Von der Strahlungsenergie 6 hervor­ gerufene elektrische Ladung führt über die Versorgungsleitungen 13 wegen der großen Kapazität des direkt angeschlossenen Speichers 5 zu einem exponentiellen Anstieg der Spannung U über der Zeit t, wie in der Zeichnung bei der dem kapazitiven Speicher 5 parallel­ liegenden Schaltung 14 skizziert. Die Ansprechspannen der unterschied­ lichen an die Versorgungsleitungen 13 angeschlossenen Verbraucher (elektronische Schaltungen und elektromechanische Bauelemente) sind, ebenso wie ihr jeweiliger Leistungsbedarf, relativ unterschiedlich, mit der Folge, daß zu unterschiedlichen Zeitpunkten während des Ansteigens der Spannung U unterschiedliche Verbraucher wirksam werden und dann den Anstieg der Spannung U zumindest verzögern, womöglich durch das Anwachsen des Energiebedarfes unterbinden und gar wieder rückgängig machen können. Daraus resultiert, daß Verbraucher, die die höchste Ansprechspannung für ihre ordnungsgemäße Betriebsweise bzw. den größten Anlauf-Leistungsbedarf aufweisen, womöglich gar keinen regulären Betriebszustand erreichen, und somit eine stabile Betriebsweise der Solaruhr 1 insgesamt dann nie erreicht werden kann.

Um diese Anlauf-Problematik zu überwinden, um also unabhängig von dem sehr unterschiedlichen Ansprech- und Betriebsverhalten der ein­ zelnen elektrischen Komponenten auch ohne Anfangs-Ladung des Speichers 5 die Uhr 1 unmittelbar aus der Bestrahlung ihrer Solarzellen 4 in Betrieb nehmen zu können, ist ihrem Ausfallüberbrückungs-Ladungs­ speicher 5 eine Schwellwertschaltung 14 zugeschaltet, vorzugsweise - wegen der erwähnten Problematik des Spannungsabfalles in Leistungs­ kreisen - parallel-geschaltet. Diese läßt den Betrieb von Verbrauchern erst zu, wenn eine Einschaltspannung I auf denVersorgungsleitungen 13, also über dem Speicher 5, mindestens erreicht ist, so daß eine danach stagnierende Steigerung der Ladespannung U nicht gleich wieder zum Aussetzen des soeben angelaufenen Betriebs führt. Vorzugsweise ist die Schwellwertschaltung 14 sogar mit einer Abschalt-Hysterese ausgestattet, also mit einer Abschalt-Ansprechspannung O, die unter dem Potential der Einschaltspannung I liegt; wodurch sichergestellt ist, daß selbst ein gewisser Einbruch der Versorgungs-Spannung U noch nicht wieder zur Unterbrechung des gerade erst eingesetzten Betriebes führt. Es kann auch vorgesehen sein - wie in der Zeichnung durch eine Mehrzahl an Steuerleitungen 15 berücksichtigt -, für hinsichtlich ihres elektrischen Betriebsverhaltens sehr unterschied­ liche Verbraucher oder Verbrauchergruppen unterschiedliche Einschalt- oder Abschalt-Spannungen I/O innerhalb der Schwellwertschaltung 14 abzufragen und diese Verbraucher dementsprechend mit unabhängig voneinander erscheinenden (natürlich funktionell aufeinander abge­ stimmten) Steuersignalen 16 freizugeben bzw. wieder zu sperren.

Jedenfalls ist durch die von der schwellwertschaltung 14 gelieferten Steuersignale 16 sichergestellt, daß die Versorgungsleitungen 13 erst belastet werden können, wenn die Ladespannung U des Speichers 5 für ordnungsgemäßen Betriebseinsatz und hinreichend dauerstabilen Betrieb ausreicht, weil die Einschaltspannung I bereits überschritten und eine Abschaltspannung O noch nicht wieder unterschritten ist - mit der angestrebten Folge, daß ein Kippschwingbetrieb der elektrischen Verbraucher bei Einsatz größeren Leistungsbedarfes und damit eine Unterbindung ordnungsgemäß einsetzenden Betriebes des Gerätes ins­ gesamt sicher vermieden ist. Die Steuerschaltung 10, die bei Betriebs­ beginn abgeschaltet ist, steuert also z. B. den Motor 7 erst an, nachdem die Einschaltspannung O erreicht ist.

Da die Funktion der Schwellwertschaltung 14 keines Spannungsbegrenzers zwischen der Solarzelle 4 und dem Überbrückungs-Speicher 5 bedarf, ist es insoweit von Vorteil, daß die volle aus der Strahlungsenergie 6 gewonnene Spannung, die quadratisch in die Energiebilanz eingeht, für den Betrieb der Verbraucher (Schaltungen und sonstigen, beispiels­ weise elektromechanischen Bauelemente) zu Verfügung steht. Anderer­ seits ist es zweckmäßig, eine Strombegrenzungsschaltung 17 in Serie mit solchen Verbrauchern vorzusehen, deren Betriebsweise stark vom Energieinhalt der Ansteuersignale abhängt, wie im Falle eines Schritt- Motors 7, dessen Schrittschalt-Drehmoment sowohl bei kleineren wie auch bei größeren Motorimpuls-Spannungen stark abfällt. Da zu kleine Spannungen durch die Vorgabe der Abschaltspannung O vermieden sind, braucht die Schaltung 17 zur Optimierung des Motorbetriebes nicht als Leistungskonstanter, sondern nur zur Strombegrenzung bei der Motoransteuerung ausgelegt zu werden, was durch ein Bauelement mit Konstantstromkennlinie (beispielsweise realisiert durch einen Transistor) mit geringem schaltungstechnischem Aufwand realisierbar ist.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung mit Solarzellen (4) zum Betrieb eines elektrischen Kleingerätes aus einem Ladungs-Speicher (5), dem eine Schwellwert­ schaltung (14) mit definierter Schaltspannung zum Betrieb des Gerätes, insbesondere eines Solaruhren-Uhrwerks (2), ab ausreichend angestiegener Speicher-Ladespannung (U) zugeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrieb des Gerätes ausschließlich dann freigegeben wird, wenn die Speicher-Ladespannung (U) die Einschaltspannung (I) des Gerätes überschreitet.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwertschaltung (14) eine niedriger als die Einschalt­ spannung (I) liegende Abschaltspannung (O) aufweist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwertschaltung (14) parallel zu anderen Verbrauchern an den Ladungsspeicher (5) angeschlossen ist, die über Steuer­ leitungen (15) von der Schwellwertschaltung (14) freigebbar sind.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwertschaltung (14) eine Steuerschaltung (10) für einen elektromechanischen Wandler (Motor 7) ansteuert, dem eine Strombegrenzungsschaltung (17) vorgeschaltet ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromechanische Wandler für den Antrieb von Zusatz­ einrichtungen - wie einem Eilgang-Antrieb von Funkuhren-Zeigern und/oder einem Antrieb von Zierpendeln - ausgelegt ist, die typischerweise unmittelbar nach Betriebsbeginn einen höheren elektrischen Leistungsbedarf aufweisen, als während der über­ wiegenden Zeitspanne stationärer Betriebsweise des Gerätes.